基于質(zhì)子治療的束流信息管理設(shè)計

邱全兵

摘要：目前國內(nèi)質(zhì)子中心建設(shè)在如火如荼的進(jìn)行，在建設(shè)方案上大多都采用多治療間方案。該方案的特點是多治療間共享加速器系統(tǒng)以降低每個治療間的成本，所以在系統(tǒng)中需要配置一個束流管理服務(wù)集中負(fù)責(zé)束流的調(diào)度、準(zhǔn)備、使用、釋放等管理和控制功能。本論文結(jié)合質(zhì)子放射治療的過程給出一種束流管理的接口和狀態(tài)機設(shè)計方案，并基于Thrift給出束流管理接口的定義。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子治療；束流管理；Thrift；束流管理服務(wù)；治療控制服務(wù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0154-03

1 引言

質(zhì)子治療技術(shù)[1]近年來它已成為醫(yī)學(xué)界研究的前沿?zé)狳c，同時質(zhì)子治療系統(tǒng)的研發(fā)和建設(shè)也成為國內(nèi)投資的熱點。根據(jù)PTCOG統(tǒng)計的2017年中國在建質(zhì)子中心及其使用方案[2]可以看出，中國質(zhì)子中心的建設(shè)方案均采用多治療室方案。該方案的特點是多個治療間共用一套加速器及束流輸運系統(tǒng)，病人治療過程中的質(zhì)子束流需要由束流管理服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度、生產(chǎn)和操作。本文結(jié)合作者在廣東恒聚質(zhì)子中心集成項目中的開發(fā)經(jīng)驗給出一種束流管理的設(shè)計。

2 束流管理設(shè)計

2.1 束流管理模型

質(zhì)子治療系統(tǒng)中的束流管理模型通常如圖 1所示。系統(tǒng)中每個治療間由獨立的治療管理系統(tǒng)來負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、同步治療過程中需要參與的各個系統(tǒng)模塊共同完成治療功能。其中治療控制服務(wù)模塊負(fù)責(zé)向束流管理服務(wù)發(fā)起各項束流操作，一旦束流就緒便控制治療頭進(jìn)行病人的治療。束流管理服務(wù)負(fù)責(zé)束流的調(diào)度并控制加速器系統(tǒng)完成束流的各項操作。為滿足點掃描治療過程中點與點間的移動和不同位置的劑量實時控制要求，治療頭與加速器系統(tǒng)之間使用特殊的硬件接口。本文中的束流管理限于治療控制服務(wù)與束流管理服務(wù)之間的軟件接口設(shè)計。

2.2 束流管理的工作過程

病人進(jìn)行質(zhì)子放射治療的過程中，束流管理的工作過程如圖 2所示分為六個主要的活動：束流申請、束流準(zhǔn)備、束流位置調(diào)整、打開束流、關(guān)閉束流、束流釋放。

治療控制服務(wù)首先向束流管理服務(wù)提出束流申請，束流管理服務(wù)根據(jù)當(dāng)前的使用情況，選擇兩種處理方式：系統(tǒng)空閑時立即接受束流申請，忙時將束流申請放入等待隊列中。束流申請成功后，治療控制服務(wù)根據(jù)當(dāng)前病人治療的要求發(fā)送治療所需的束流參數(shù)給束流管理服務(wù)進(jìn)行束流準(zhǔn)備，束流管理服務(wù)控制加速器系統(tǒng)生產(chǎn)滿足參數(shù)要求的束流。當(dāng)束流準(zhǔn)備就緒并且病人擺位確認(rèn)后，就可以打開束流進(jìn)行病人的治療。在治療過程中，由治療頭通過實時硬件接口控制束流流強以實現(xiàn)點掃描時點與點間的移動（移動到目標(biāo)點過程中快速關(guān)閉和打開束流）和不同點的劑量要求。當(dāng)完成一層的掃描治療后關(guān)閉束流。質(zhì)子治療過程通常需要進(jìn)行多層掃描，掃描層與層之間的切換需要進(jìn)行束流能量的切換，束流需要重新準(zhǔn)備，不同層的治療處理過程循環(huán)圖 2虛框中的過程。最后，完成病人所有治療野的治療后，釋放束流以供其它房間使用。

2.3 束流管理狀態(tài)機設(shè)計

束流管理是以會話機制進(jìn)行管理的。治療控制服務(wù)與束流管理服務(wù)之間需要創(chuàng)建一個束流管理會話，治療間內(nèi)所有的束流操作在該會話中進(jìn)行，并按圖 3所示的狀態(tài)機運行。治療控制服務(wù)與束流管理服務(wù)維持獨立的束流狀態(tài)機，并保持狀態(tài)同步。

治療控制服務(wù)向束流管理服務(wù)請求開啟束流會話，一旦會話創(chuàng)建成功則狀態(tài)進(jìn)入空閑狀態(tài)。空閑狀態(tài)下，可接受醫(yī)務(wù)人員的指令發(fā)起束流申請，會話進(jìn)入束流申請中狀態(tài)。束流申請中狀態(tài)會一直保持直到束流分配成功、申請被拒絕或取消束流申請。束流分配成功后，會話進(jìn)入束流已分配狀態(tài)，該狀態(tài)下的會話獲得束流的使用權(quán)。然后它可以將需要的束流參數(shù)發(fā)送給束流管理服務(wù)以控制加速器系統(tǒng)準(zhǔn)備生產(chǎn)相應(yīng)規(guī)格的束流，同時會話狀態(tài)進(jìn)入束流準(zhǔn)備中狀態(tài)。束流管理服務(wù)控制加速器系統(tǒng)完成所有的準(zhǔn)備工作并通知束流準(zhǔn)備完成后，會話進(jìn)入束流就緒狀態(tài)。如果準(zhǔn)備工作過程失敗，會話狀態(tài)返回束流已分配狀態(tài)，束流分配繼續(xù)保持，可重試束流準(zhǔn)備操作或者釋放束流。束流就緒后并且醫(yī)務(wù)人員完成病人的擺位、驗證等步驟后就可以啟動治療，治療控制服務(wù)就發(fā)起打開束流操作使質(zhì)子束流進(jìn)入治療頭，由治療頭進(jìn)行病人的治療，會話的狀態(tài)進(jìn)入束流出束中狀態(tài)。當(dāng)治療頭完成治療便通知治療控制服務(wù)發(fā)起關(guān)閉束流操作。當(dāng)病人的所有治療過程結(jié)束，治療控制服務(wù)發(fā)起釋放束流操作會話進(jìn)入空閑狀態(tài)。 當(dāng)束流管理交互過程中出現(xiàn)各類錯誤、狀態(tài)不同步等，可通過復(fù)位操作重啟狀態(tài)機流程。

2.3.1 束流會話的保活機制

束流質(zhì)子在多治療間系統(tǒng)中屬于共享資源，應(yīng)該避免由于某一個治療間的軟件或網(wǎng)絡(luò)等問題而影響到其它治療間的使用。所以在治療控制服務(wù)和束流管理服務(wù)之間需提供會話保活檢測機制。治療控制服務(wù)需定期向束流管理服務(wù)發(fā)送保活消息，如果束流管理服務(wù)連續(xù)三個檢測周期內(nèi)未收到保活消息，則認(rèn)為束流會話失效，于是釋放該會話所占用的資源并關(guān)閉會話。治療控制服務(wù)發(fā)出的保活消息未得到束流管理服務(wù)響應(yīng)時認(rèn)為通信異常，治療控制服務(wù)啟動異常處理機制：它定時向束流管理服務(wù)發(fā)送會話狀態(tài)查詢消息，獲取服務(wù)器中當(dāng)前會話的狀態(tài)，并按以下情況分別處理：（1）束流管理服務(wù)能返回會話的狀態(tài)且與治療控制服務(wù)的維持的狀態(tài)一致，則當(dāng)前會話依然有效。若兩邊狀態(tài)不一致，則發(fā)起復(fù)位會話操作或者關(guān)閉并重開會話。（2）束流管理服務(wù)返回會話不存在則重開會話。（3）在保活超時的時間內(nèi)，未收到束流管理服務(wù)的任何響應(yīng)則重開會話。

2.3.2 束流調(diào)度信息同步

醫(yī)務(wù)人員在操作終端申請束流時，束流可能正在被其它的房間占用，為了避免盲目的等待，束流管理服務(wù)需要提供實時的束流調(diào)度信息以決定繼續(xù)等待或取消申請。調(diào)度信息應(yīng)該包括：束流是否已被分配、已分配的束流申請信息、等待分配的束流申請列表。束流申請信息包括：治療間標(biāo)識、束流使用時間和優(yōu)先級。當(dāng)束流管理會話的狀態(tài)處于束流申請中時，束流管理服務(wù)定時向該會話發(fā)送束流調(diào)度信息直到其被分配成功或束流申請被取消。

2.4 束流管理接口設(shè)計

治療控制服務(wù)和束流管理服務(wù)的接口統(tǒng)一通過Thrift代碼生成引擎生成目標(biāo)代碼，具有簡單易用、開發(fā)效率高、傳輸效率高等特點。特別是在治療控制系統(tǒng)和加速器控制系統(tǒng)由不同的廠家提供時，可大大提高系統(tǒng)集成效率。治療控制服務(wù)和束流管理服務(wù)建立雙向連接，互為對方的客戶端和服務(wù)端。治療控制服務(wù)將“命令”消息同步發(fā)送給束流管理服務(wù)，束流管理服務(wù)將執(zhí)行的結(jié)果異步返回。根據(jù)束流管理會話狀態(tài)機設(shè)計，束流管理服務(wù)端的接口定義如下：

service BmsService {

string open（1： string id，2： string ip， 3： i16 port）， //打開會話

RequestStatus close（1： string sid），//關(guān)閉會話

RequestStatus request（1：string sid，

2：string priority），//束流申請

RequestStatus release（1：string sid），//釋放束流

RequestStatus prepare（1：string sid，

2：BeamSettings setting），//束流準(zhǔn)備

RequestStatus enable（1：string sid），//打開束流

RequestStatus disable（1：string sid）， //關(guān)閉束流

RequestStatus reset（1：string sid），//復(fù)位會話

RequestStatus ping（1：string sid），//保活

RequestStatus correctPosition（1：string sid，

2：CorrectionVector vector）， //束流位置調(diào)整x，y

}

該接口由治療控制服務(wù)以RPC方式進(jìn)行調(diào)用。需要特別說明的是Open打開會話接口，其中id參數(shù)在系統(tǒng)內(nèi)唯一，用于標(biāo)識治療間，一個治療間只能打開一個束流管理會話。其中ip和 port參數(shù)為治療控制服務(wù)的服務(wù)地址和端口，束流管理服務(wù)通過該接口返回結(jié)果。Open接口的返回結(jié)果中會帶一個唯一的會話標(biāo)識sid，該會話后續(xù)的所有調(diào)用都需要帶上該標(biāo)識，否則調(diào)用被拒絕。

治療控制服務(wù)端的接口定義如下：

service BmsClientService {

void idle（1： string id）， //空閑狀態(tài)

void allocated（1： string sid）， //已分配狀態(tài)

void enabled（1：string sid），//束流已打開狀態(tài)

void error（1：string sid）， //會話出錯

void prepareFailed（1：string sid， 2：string cause）， //束流準(zhǔn)備失敗狀態(tài)

void prepared（1：string sid），//束流就緒狀態(tài)

void rejected（1：string sid），//束流申請被拒絕

void schedulerStatus（1：string sid，2：BeamSchedulerInfo schInfo）， //束流調(diào)度狀態(tài)

}

該接口由束流管理服務(wù)端調(diào)用，用來通知治療控制服務(wù)操作的結(jié)果和狀態(tài)包括束流被分配、拒絕、就緒、已打開、已關(guān)閉、出錯等。

3 結(jié)語

本文介紹了在多治療間的質(zhì)子治療系統(tǒng)中束流管理的相關(guān)知識包括束流管理模型、束流管理過程，并給出了束流管理的狀態(tài)機設(shè)計以及狀態(tài)處理過程中保活和調(diào)度同步機制設(shè)計。最后基于Thrift給出束流管理的接口的定義。隨著質(zhì)子行業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的人投入到質(zhì)子裝置產(chǎn)業(yè)化、國產(chǎn)化的研發(fā)工作中，希望本文能給相關(guān)領(lǐng)域開發(fā)人員提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

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[3]Vincent Collignon.BSS External Interface Specification [M].IBA.2015.